激光增材制造钛合金的成形性研究

激光增材制造钛合金的成形性研究
摘要：针对TC4钛合金激光3D打印制造工艺，研究了激光功率、扫描速度和送
粉量作为3个主要工艺参数，构建了三因素四水平（L16（45））正交试验，通
过对比激光3D打印工艺参数对单道成形的熔合比及外观成形影响，获得了最佳
工艺参数为激光输出功率1900W、扫描速度700mm/min及送粉量10g/min。

在最佳工艺参数条件下，研究了激光3D打印TC4钛合金机械性能，试验结果表明，Z
向平均拉伸强度指标（σ0.2=894.50MPa，σb=961.83MPa）低于XY向
（σ0.2=985.27MPa，σb=1011.35MPa），Z向拉伸塑性指标（δ=14.01%，
ψ=29.84%）高于XY向的（δ=8.65%，ψ=11.87%）；平均维氏硬度值（HV0.2）为342.6。

其Z向强度和塑性指标超越了TC4锻件国家标准（GB/T 25137-2010）。

关键词：正交试验；TC4钛合金；激光3D打印；工艺参数；机械性能
钛合金（TC4）因具有比强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀和抗高温蠕变等优点，在航
空航天领域和其他新兴领域得到了广泛的应用。

随着航空航天科学技术的发展，对钛合金结
构轻量化及高性能提出了更高的要求。

由于传统制造方法制造复杂零部件的效率低、成本高
及难于实现等问题，近年来人们热衷于3D打印直接成型的研究，以解决上述的问题，并获
得了众多成果[1-4]。

现有研究表明，随着激光功率的提高，晶粒尺寸增大[5]；扫描速度影响
着熔覆过程中的加热时间及粉末的利用率，扫描速度越高，粉末和基材的加热时间越短，粉
末的利用率越低；送粉量影响成形的效率，在保证激光功率密度足够的情况下，送粉量越多，成形效率越高[6]。

1 试验设备与方法
TC4钛合金单道和拉伸件块体打印采用的设备（LDM-8060）是由南京中科煜宸激光技术
有限公司自主研发的，设备主要由4kW光纤耦合半导体激光器（聚焦点光斑直径4mm）、
四路送粉3D打印头、气载式送粉器、氩气工作仓+净化系统、水冷机、三轴数控工作系统+
工作台、3D打印软件+运动控制系统等组成。

激光3D打印工艺参数正交设计方案（L16（45））如表1所示。

TC4基板采用的是钛合金锻造板材，其基板尺寸为100mm×100mm×20mm，在试验进行
之前，首先使用1200目的SiC砂纸打磨处理，然后使用丙酮进行擦拭，去除基板表面的油污
和氧化膜等杂质。

TC4钛合金粉末粒度范围为75-120μm的球形粉，化学成分（质量分数%）为5.5-6.75Al、3.5-4.5V、Fe≤0.25、C≤0.08、O≤0.16、N≤0.01、H≤0.01、余量为Ti。

试验前，将TC4粉末放到
惰性气体加热器内进行200℃烘干处理，以去除粉末中的水分。

对激光3D打印制造的单道和块体进行线切割，分别作成单道金相试样
（15mm×10mm×10mm）和拉伸试样（Z向和XY向），其拉伸试样的形状尺寸如图1所示。

对金相试样进行研磨（500#~2000#的SiC砂纸）后抛光，然后用Kroll（HF：HNO3：
H2O=1：6：7）腐蚀液进行腐蚀，腐蚀时间约为30s。

采用蔡司ZX-10型光学金相显微镜（OM）和SU8010型场发射扫描电子显微镜分析了金相试样的组织；采用WDW-100型电子
万能试验机测试了拉伸试样的力学性能。

表1 正交试验设计方案（L16（45））
图1 拉伸试样尺寸
2 结果与讨论
2.1 单道3D打印试验结果与数据分析
从表2熔合比指标可以清楚地看到3、6和7组数据的熔合比相对较小，分别为0.74、0.75和0.76。

熔合比越小，说明基板材料对3D打印层影响越小，3D打印质量越好。

激光3D 打印制造TC4钛合金单道成形的外观照片如图2所示，由图可知，3号外观形貌表面有大量
粘粉，其原因主要是激光功率不足引起的。

6号和7号外观形貌良好，与3相比熔合比只增
加了0.01，另外7号的送粉量最大。

综合上述考虑，确定7号试验数据为最优打印参数。

另
一方面，从试样横断面分析可知，沉积层中无冶金缺陷存在。

表2中采用极差分析法确定出3个因素对指标影响的大小顺序为（极差值大小）：
0.064（扫描速度）＞0.051（激光功率）＞0.015（送粉量）。

从极差值大小可以直接看出扫
描速度是影响熔合比主要因素，其次是激光功率，影响最小的是送粉量。

以因素的水平作横坐标，熔合比作纵坐标，分析指标-因素之间的关系如图3所示。

由
图3可知，各因素对指标的综合影响规律（要求的指标越小越好），在激光输出功率1900w、扫描速度700mm/min及送粉量在8g/min时熔合比均较小，通过上述理论与实践的分析，最
终确定7号为最优工艺参数，激光输出功率1900w、扫描速度700mm/min、送粉量10g/min。

激光3D打印TC4钛合金横断面显微组织分析结果可知。

组织中可以观察到高温下粗大
β柱状晶的组成形态，其方向基本垂直于3D打印方向（熔合线），该柱状晶宽度约在
0.5mm。

柱状晶界先析出相（α相）呈棒状分布，柱状晶内次析出了大量的片层α相、少量
片层α魏氏组织及短棒状α相。

魏氏α板条相具有细长结构特征，长宽比大且尖端无球化现象。

大量的魏氏α板条形成主要是沿着晶界向晶内生长，形成具有集束状的特征。

另外，在
柱状晶内有少量短小棒状α相析出，其形成原因是在激光3D打印过程中，由于先析出α及
次析出α相在晶界和晶内形核并长大，因α相生长方向不同，不同方向的α相接触后停止生长，从而抑制了部分α相的生长，形成少量的短棒状α相。

2.2 3D打印态试样室温拉伸性能
在功率1900w、扫描速度700mm/min及送粉量10g/min的最佳工艺参数条件下，激光
3D打印制造TC4钛合金3D打印态试样Z方向的拉伸塑性（平均δ=14.01%、ψ=29.84%）优
于XY方向的（平均δ=8.65%、ψ=11.87%）。

但是Z方向的屈服强度（平均σ0.2=894.50MPa）和抗拉强度（平均σb=961.83MPa）都低于XY方向的屈服强度（平均σ0.2=985.27MPa）和抗
拉强度（平均σb=1011.35MPa）。

但是，其强度指标均满足模锻件国家标准（GB/T 25137-2010）（σ0.2=828MPa，σb=895MPa）要求，Z向塑性指标优于模锻件国家标准（δ=10%、
ψ=25%），XY方向塑性指标低于模锻件国家标准。

Z方向塑性好的原因是由于晶粒的生长方向和组织形态有关，晶粒的生长方向基本垂直
与3D打印方向，组织形态为柱状晶组织，晶粒与晶粒之间的晶界与拉伸方向平行，位错运
动阻力小，而XY方向的拉伸方向与晶界垂直，位错运动困难，所以其塑性降低，同时也带
来强度指标的提高。

3 结论
1.正交试验确定了最佳工艺参数为激光功率1900w、扫描速度700mm/min及送粉量为
10g/min。

在最佳工艺参数条件下，获得了良好的成形性，其打印态下的显微组织由粗大柱状晶组成，柱状晶界由先析出棒状α相组成，晶内由次析出的大量片层α相、少量片层α魏氏
相及短棒状α相组成。

2.在优化后工艺参数条件下打印的成形件，其Z方向平均拉伸性能为抗拉强度
σb=961.83MPa，屈服强度σ0.2=894.50MPa，伸长率δ=14.01%，断面收缩率ψ=29.84%；其XY
方向平均拉伸性能为抗拉强度σb=1011.35MPa，屈服强度σ0.2=985.27MPa，伸长率δ=8.65%，断面收缩率ψ=11.87%。

Z向拉伸试件的性能指标超越了国家锻造标准（GB/T 25137-2010：
σb=895MPa、σ0.2=828MPa、δ=10%、ψ=25%）；XY向强度指标超越国家锻造标准要求，而
塑性指标低于国家锻造标准要求。

图3 指标-因素关系图
表2 试验数据与计算分析表
Table 2 Test data and calculation analysis table
图2 单道3D打印层的外观形貌
参考文献：
[1]刘琦，梁晓康，陈济轮等. 增材制造技术在国外航天领域的研究应用现状[J]. 导弹与航
天运载技术，2016，（6）：103-106.
（LIU Qi，LIANG Xiao-kang，CHEN Ji-lun，et al.Research and Application Status of Material Enhancement Manufacturing Technology in the Field of Aerospace Abroad[J].Missile and Space Delivery Technology，2016，（6）：103-106.）
[2]黄卫东. 材料3D打印技术的研究进展[J]. 新型工业化，2016，（3）：53-70.
（HUANG Wei-dong.Development of 3D Printing Technology for Materials[J].New Industrialization，2016，（3）：53-70.）
[3]文艺，姜涛，邬冠华等. 3D打印两相钛合金组织性能研究现状[J]. 失效分析与预防，2016，11（1）：42-46.
（WEN Yi，JIANG Tao，WU Guan-hua，et al.Research St atus of Microstructure and Properties of 3D Printed Two-phase Titanium Alloy[J].Failure analysis and prevention，2016，11（1）：42-46.）
[4]Rasheedat M. Mahamood，Esther T. Akinlabi. Scanning Speed Influence on the Microstructure and Micro hardness Properties of Titanium Alloy Produced by Laser Metal Deposition Process[C]. Materialstoday：PROCEEDINGS，2017，4（4）：5206-5214.
[5]刘小欣，程序，王华明等. 不同工艺条件对激光熔化多道沉积DD5单晶高温合金杂质
的影响[J]. 中国激光，2017，44（6）：0602009-1-0602009-7.
（LIU Xiao-xin，CHENG Xu，WANG Hua-ming，et al.Effect of Different Processing Conditions on Impurity of DD5 Single Crystal Superalloy Deposited by Laser Melting[J].Chinese Laser，2017，44（6）：0602009-1-0602009-7.）。